含酚实验废水的臭氧氧化处理研究

2022-09-12

实验室废水中含有诸多有毒有害物质, 低浓度酚能使蛋白变性, 高浓度能使蛋白沉淀。苯酚可经呼吸道、皮肤和消化道吸收。国内外工业上处理含酚废水的常用方法主要有物理法、化学法和生物法。其中物理法和化学法主要包括吸附、萃取、气提和蒸馏、离子交换、膜分离、化学氧化、光催化氧化等方法[1]。60年代中期, 人们又发现臭氧的助絮凝作用, 与此同时, 在德国及瑞士开始用臭氧氧化某些微污染物, 如酚类化合物、有机农药等。

各种印染废水、造纸废水的色度大部分都采用臭氧氧化法去除, 水中难降解有机物在由臭氧产生的羟基自由基的作用下被氧化掉[2]。

1 实验方法

1.1 仪器设备

T U-1 8 0 0 S型紫外可见分光光度计、DHX-SS-001型臭氧发生器、PHS-2C型精密酸度计、JJ-1型定时电动搅拌器、FA/JA型电子天平。

1.2 实验方案

臭氧发生器工作曲线测定方案:测量不同氧气流量 (0.4、0.8、1.2、1.6L/min) 下, 臭氧发生器发生臭氧的浓度及速率。实验装置见下页图1。

氧化苯酚静态实验方案:选定三个影响苯酚去除率的因素A-苯酚浓度、B-PH值和C-氧气流量。本文试验臭氧对高浓度苯酚的去除效果, 选定600mg/L、800mg/L和1000mg/L。许多文献[3~5]都指出:在不同的p H值时, 臭氧氧化降解苯酚的途径及其动力学是不同的, 在酸性及弱酸性条件下苯酚的降解遵循O3直接氧化机制, 在碱性时则遵循羟基自由基氧化机制。因此, 直接试验碱性条件, 选择的三个p H值水平为9.3、10.3和11.3。常规实验室用臭氧发生器的流量范围是0L/min~1.6L/min。实验选择1.6L/min、1.0L/min和0.4L/min三个流量。考虑三因素的交互作用, 选用正交表L27 (313) 安排实验。除虚框部分外, 静态实验装置与测定臭氧工作曲线的装置相同。静态实验虚框部分装置见图2。

1.3 分析方法

4-氨基安替比林分光光度法测苯酚浓度[6]、硼酸-碘化钾吸收法测臭氧浓度[7]。

2 实验结果及讨论

2.1 臭氧工作曲线

经过三次重复实验, 平均测量值, 并计算画图得到图3和图4。

从图3可以看出, 随着氧气流量的增大, 臭氧发生的浓度减小。但从图4可以看出, 单位时间内的臭氧发生量即臭氧发生效率却随氧气流量的增大而增加。

可以这样解释:氧气流量大, 单位时间内的氧气分子就多, 电晕中的自由高能电子离解的O2分子也多, 生成的臭氧分子也多, 使臭氧发生效率增高。且气体流量大, 新鲜表面更新越快, 已经生成的臭氧能很快离开, 也加快了臭氧的发生效率。这样, 氧气流量越大, 臭氧发生效率越高, 但是, 由于气体总量增加, 浓度却变小了。

2.2 氧化苯酚静态实验

2.2.1 显著性检验

经正交试验后, 得到数据列成方差分析表如下表1。

从以上的显著性检验可以看出, 初始p H值是一个非常显著的因素, O3浓度是显著因素, 苯酚浓度是不显著因素, 各种因素的交互作用都不显著。相同去除率下, 苯酚初始浓度低的废水出水浓度也会相应的低。所以, 我们应该尽量选取初始浓度低的条件, 即600mg/L。因此, 从显著性检验得出的最佳工艺条件就是A3B3C1。即苯酚初始浓度选600mg/L, p H值选11.3, 氧气流量选1.6L/min。

1.氧气罐;2.干燥塔;3.臭氧发生器;4.安全瓶;5.翻泡瓶;6.标口特氏洗气瓶

2.2.2 最佳工艺条件确定

根据正交试验结果, 绘制氧气流量为0.4、1.0、1.6L/min时, 不同苯酚浓度不同p H值下的苯酚去除率 (图5~图7) 。

首先分析显著性因素p H值。从图5~图7可以看出, 相同苯酚浓度及氧气流量 (每一流量对应一臭氧浓度) 下, p H=11.3条件下的去除率都是最高的。且p H值越大 (即碱性越强) , 苯酚去除率越高。因为在碱性条件下, 碱性越强, 臭氧分解速率越快, 从而产生更多的羟基自由基, 使反应加快。另一方面, 臭氧分解速率越快, 气液相界面上的O3浓度差越大, 臭氧的扩散速率加快, 也使得苯酚氧化速率增加。因此, 最佳工艺条件中的p H值选11.3。

苯酚臭氧氧化影响因素中的氧气流量通过显著性检验为显著因素。前面通过分析得出最佳p H值选取11.3, 根据数据得到p H值为11.3时, 不同苯酚浓度不同氧气流量下苯酚的去除率, 见图8。

从图8可以看出, 在p H值为11.3时, 输入系统氧气流量为1.6L/min时得到的去除率最高, 尤其在苯酚浓度为600mg/L的较低浓度时。首先, 因为流量增大, 臭氧的发生效率增大, 即单位时间臭氧在水中的溶解度增大, 从而容易产生更多的羟基自由基, 使氧化速率加快, 苯酚去除率提高。其次, 由于苯酚是易挥发性物质, 气体流量增大, 对苯酚的气提作用得到增强, 有更多的苯酚以挥发的形式被去除。最后, 从双膜理论上来讲, 气体流量大, 搅拌作用就大, 有利于加快传质速率, 从而促进气液相界面上的两相反应速率。而且, 气体流量大, 产生的气泡越多, 与溶液的接触面积也越大, 反应面积增大, 反应速率也就得到了提高。因此, 氧气流量越大, 发生的臭氧量就越多, 苯酚去除率越高。从实验室废水处理利用实验室本身设备, 节省经费的角度出发, 本实验使用的小型臭氧发生器就同时满足平时实验和废水处理需要, 因此, 该小型臭氧发生器的最大氧气流量1.6L/min为最佳氧气流量。

通过显著性检验结果可知, 苯酚浓度是不显著因素。从图5~7可以看出, 在p H值一定, 氧气流量一定下, 三个苯酚浓度下的去除率差别不大。同时, 如果最佳工艺条件从显著与否已选定p H=11.3, Q=1.6L/min, 那么从图7的最上一根曲线可以看到, 三个苯酚浓度下的去除率几乎没有差别, 但是, 相同的去除率下, 初始浓度低的原液的出水浓度也低, 更容易达标, 也更有利于后面的处理。因此, 选取苯酚初始浓度低 (即600mg/L) 的状态进行处理时较好。

3 结语

臭氧氧化法对苯酚实验废水有较好的处理效果。通过本实验, 得到如下结论。

对苯酚浓度、p H值和氧气流量及其两两交互作用对苯酚去除率影响是否显著进行检验, 得到显著性影响的顺序是p H值>氧气流量>苯酚浓度>两两交互影响。其中, p H值是非常显著的影响因素, 氧气流量是显著因素, 其它为不显著因素。

通过苯酚静态正交实验, 得到苯酚臭氧氧化的最佳工艺条件是:p H值为11.3, 氧气浓度为1.6 L/m i n, 苯酚浓度为较低状态600mg/L。

摘要：本文选用苯酚作为含酚废水处理的模型化合物, 探讨了其臭氧氧化处理技术。臭氧氧化法是一种高效、快速的化学氧化法。臭氧在碱性溶液中分解产生一种具高效氧化作用的中间产物——羟基自由基 (OH·) 能氧化苯酚。本文对臭氧氧化法处理苯酚废水的显著性因素进行检验, 并研究静态处理的最佳工艺条件。臭氧氧化苯酚时, 初始pH值是非常显著的因素, O3浓度是显著因素, 苯酚浓度是不显著因素, 各种因素的交互作用都不显著。静态实验的最佳工艺条件中苯酚初始浓度随废水条件而定, 最好取600mg/L, pH值取11.3, 氧气流量取1.6L/min。

关键词：臭氧氧化法,苯酚废水,最佳工艺,显著性因素